碳改性C/SiC复合材料的结构与性能

C/SiC复合材料具有低密度、高强度、耐高温、抗烧蚀和抗冲刷等一系列优异性能,同时具有比C/C复合材料更好的抗氧化性。C/SiC复合材料在高推重比航空发动机、超高声速冲压发动机、航空航天往返防热系统、液体发动机和固体火箭发动机等武器装备领域,以及在先进摩擦及离合器系统等刹车工业领域具有非常广阔的应用前景。然而,需要采用陶瓷基复合材料制备的构件种类繁多,如机翼前缘、燃烧室、喷管、热防护材料、刹车盘、以及要求极低的热膨胀系数的太空反射镜、陶瓷支架、刻度盘等,它们的工作条件各不相同,因而对C/SiC复合材料的力学性能、热物理性能和环境性能的要求也不尽相同。为了使C/SiC复合材料的性能可在很大范围内变化,以便满足各种构件的使用要求,必须对其显微结构及相成分进行合理的设计。本文采用减压化学气相渗透法制备了基体为PyC/SiC交替叠层的C/C-SiC复合材料,研究了PyC的引入位置和引入量对C/C-SiC复合材料力学性能和抗氧化性能的影响,主要研究内容与研究结果如下: (1) 研究了PyC的引入位置和引入量对2D C/C-SiC复合材料力学性能的影响,表明PyC的引入可以显著提高复合材料的断裂韧性、断裂功及断裂应变,抗弯强度、拉伸强度及拉伸模量基本保持不变。纤维束外部基体中PyC的引入不利于提高2D C/C-SiC复合材料的力学性能。 (2) 研究了PyC的引入位置和引入量对3D C/C-SiC复合材料力学性能的影响,表明纤维束外部的PyC层降低了复合材料的抗弯强度和断裂韧性,但可以明显提高拉伸强度、拉伸模量及断裂应变。 (3) 研究了PyC的引入位置和引入量对2D C/C-SiC复合材料抗氧化性能的影响,表明2D C/SiC与2D C/C-SiC复合材料具有相似的氧化行为,受缺陷控制。2D C/SiC与2D C/C-SiC复合材料在700℃、1000℃、1300℃时都表现为氧化失重,且都在700℃氧化失重率最大,1000℃时氧化失重率最小;2D C/SiC与2D C/C-SiC复合材料在空气中恒温氧化时表现出完全相似的氧化动力学行为和残余强度对应关系,残余抗弯强度随失重率的增加而降低;2D C/SiC与2D C/C-SiC复合材料的残余强度受C相的氧化消耗控制。